施工期间结构跨度大幅增加的设计修改策略

汕头市第三届亚洲青年运动会某新建场馆项目，在基础和地下室底板完成施工后，因建设标准提高，需取消支撑2层楼盖的5根柱子以形成平面28.5?m×33?m、净高不小于9?m的高大空间作为陆上训练场。取消柱子后楼盖短向跨度增加一倍，最大跨度达33?m ，取消柱子的改动如图1所示。取消柱子的设计修改需考虑如下3个关键因素：（1）楼盖跨度较大，需合理选型。项目为亚青会比赛场馆，楼盖选型除考虑经济性外，尚需考虑项目建设进度能否满足赛事要求；（2）应采用对已施工的基础和底板影响较小的修改方式，降低施工难度，加快施工速度；（3）选择合理的施工顺序，创造分区、分段施工条件，加快项目建设进度。

图1?取消支撑楼盖柱子示意

1?结构选型 

1.1?设计条件

2层大跨度楼盖区域的建筑功能为乒乓球比赛场地和移动看台，计入建筑楼面做法和板底天花及机电设备管线等，楼板附加永久荷载取3?kN/㎡，可变荷载取4?kN/㎡。大跨度楼盖区域平面尺寸为28.5?m× 33?m，地下1层，首层对应区域无楼板，层高11?m。

1.2?结构选型

大跨度楼盖两个主轴方向的跨度较为接近，框架主梁采用双向布置，主梁最大跨度33?m，次梁跨度11?m，板跨2.25?m。楼盖方案对比钢筋混凝土梁、型钢混凝土梁和型钢梁共3个方案，不同楼盖方案的综合比较见表1。

表1?不同方案优缺点综合比较

混凝土梁方案综合造价最低，但梁下净高不能满 足使用需求，可采用预应力技术减少梁高以满足净高要求，但本项目EPC总承包招标内容未包含预应力专业工程，采用预应力技术需再招标，难以满足项目建设周期要求。型钢混凝土梁方案存在模板搭设高度不小于8?m及集中线荷载不小于20?kN等超过一定规模的危大工程，且型钢混凝土梁方案存在较多钢–混施工界面，施工周期较长，经济性上也没有优势；型钢梁组合楼板楼盖方案施工期间无需采取临时支撑，施工速度快，也不存在增加项目危大工程类别的情况。经组织专家评审，确定采用方案三由型钢梁组合楼板楼盖和型钢混凝土柱组成的结构体系，构件截面见表2。

表2?构件截面参数        mm

2?楼盖设计

2.1?楼盖舒适度分析

大跨度楼盖部分区域为室内运动场，属于进行有节奏运动的场所，采用时程分析方法计算楼盖竖向振动加速度。楼盖竖向振动第1阶模态为大跨度区域的整体振动，自振频率为5.07?Hz，时程分析时等效均布可变荷载取0?kN/㎡，有节奏运动的人群荷载取0.12?kN/㎡，混凝土弹性模量放大系数取1.35，阻尼比取0.06。将有节奏运动荷载时程均布施加在模型对应比赛场地区域的楼板上，计算得到的楼盖振动有效最大加速度低于JGJ/T?441—2019《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》限值，楼盖振动舒适度满足要求。第2阶荷载频率与楼盖第1阶频率较接近，楼板峰值加速度最大，加速度时程如图2所示。

图2?第2阶荷载频率激励下楼板加速度时程

2.2?楼板抗裂设计

大跨度楼盖在自重下竖向变形大，与一般跨度楼盖的交界处板单元主拉应力较大，大部分板单元板顶主拉应力大于3.5?MPa（其余楼板普遍小于2.0?MPa），为降低交界处楼板在自重下的拉应力水平，在大跨度楼盖的邻跨设置了收缩后浇带，后浇带在大跨度楼盖完成自重下的变形后再封闭，该后浇带设置位置也符合其他不需等待型钢供货的区域先行施工组织要求。

3?型钢梁钢–混框架节点设计

大跨度框架典型立面如图3所示，型钢梁、混凝土梁、型钢混凝土柱等多种类型的构件在框架节点处汇交，节点组成较为复杂；型钢梁梁端弯矩较大，柱内型钢截面小于型钢梁截面、不能完全平衡梁端弯矩，需由节点处的钢筋混凝土部分一起承担，型钢梁钢–混框架节点准确的受力分析和合理的节点构造设计是本次设计修改能否顺利实施的关键问题。

图3? 大跨度框架立面和分段施工示意

大跨度平面内框架节点处的构件弯矩平衡关系如图4、图5所示，梁端和柱端在地震作用、风荷载等工况组合下的弯矩方向与竖向荷载工况下的弯矩 方向相同。图中Mbs为型钢梁梁端弯矩，Mbc为混凝土梁端弯矩，Mc为柱弯矩，Mcs和Mcc分别柱内型钢和柱钢筋混凝土承担的弯矩。

（a）                              （b）

图4?使用状态框架节点弯矩平衡示意

（a）左侧中柱节点；（b）右侧边柱节点

（a）                                   （b）

图5?施工阶段框架节点弯矩平衡示意

（a）左侧中柱节点 ；（b）右侧边柱节点

受柱内型钢和梁型钢影响，中柱节点处柱纵筋无法直通，框架平面内的梁纵筋也无法直通，梁柱纵筋也无法全部搭接，无法采用规范的连接（或锚固）做法，本项目采用图6的构造方法解决节点处纵筋拉力传递问题。

图6?中柱顶层框架节点构造示意

梁纵筋、柱纵筋分别采用如下方式保障拉力在节点处可靠传递。（1）梁顶面纵筋。梁宽两侧纵筋绕开柱型钢翼缘，按混凝土边柱节点锚固，梁宽中部第一排纵筋采用螺母固定在型钢柱柱顶锚固板上，梁宽中部第二排纵筋与型钢柱柱顶钢板焊接连接。（2）梁底面纵筋。梁宽外侧纵筋绕开柱型钢翼缘锚固在混凝土内，梁宽中部纵筋与柱型钢采用套筒连接。（3）框架平面外梁纵筋。绕开柱型钢翼缘，遇柱型钢腹板开孔直通。（4）柱纵筋。柱宽两侧纵筋绕开型钢梁翼缘，按顶层节点锚固，柱宽中部纵筋在梁下翼缘开孔穿过后，大跨度外侧和内侧纵筋采用螺母分别固定在型钢梁高度中部和顶部。

大跨度楼盖在施工期间不设临时支撑，混凝土强度形成前，柱内型钢需能完全承担型钢梁梁端在施工阶段的内力。柱内型钢和柱脚需能承担柱子在施工阶段全部内力。因基础已完成施工，柱内型钢无法在埋置在基础内，为降低施工难度、加快施工速度，柱内型钢取侧壁顶部标高作为锚固段起算点，型钢伸入下段柱1.6?m，柱脚以下混凝土柱和侧壁具备先施工条件，大跨度楼盖以外的其他平面区域也具备先施工的条件，满足分区、分段施工、加快项目建设进度需求。

4?基础设计及底板抗浮设计

楼盖跨度增大后，框架柱的柱底内力明显增大，需对已施工的柱插筋和基础进行受力验算。大跨度框架柱下段与侧壁相连，侧壁在大跨度框架平面内的刚度和承载力均较大，可分担柱底大部分内力，并传递给同列其他非大跨度框架柱基础和地下室底板。大跨度框架柱的柱底弯矩与侧壁底部原控制工况下的弯矩方向相反，而原设计柱底桩数由抗浮工况组合控制，经验算取消柱子形成大跨度楼盖后，已施工的原设计柱插筋、侧壁插筋和基础均可满足受力需求。取消中部柱子，地下室底板平面中部的竖向荷载水平降低，采取增加配重的方法解决底板抗浮问题。

5?结论

（1）设计修改策略充分考虑修改对已施工部分的影响，合理选择了施工顺序并进行了施工阶段验算，达到降低施工难度、加快施工速度的效果，满足项目在基础和底板施工完成后楼盖跨度大幅增加一倍的修改需求。（2）通过综合比较不同楼盖形式的优缺点，确定了采用由型钢梁组合楼板楼盖形式和型钢混凝土柱组成的结构体系，该结构体系在施工期间不需采取临时支撑，结构选型合理经济。（3）采用时程分析计算了大跨度楼盖在有节奏运动荷载激励下的竖向振动加速度，舒适度满足规范要求。（4）介绍了型钢混凝土柱–型钢梁钢–混框架节点的受力特点和设计思路，并提出一种解决钢–混中柱顶层框架节点纵筋拉力传递问题的节点构造。